En ny batterielektrod har kiselnanopartiklar samlade som granatäpplekärnor i en tuff skal av kol. (Detta är ett konstnärligt koncept, inte representativt för det faktiska batteriet.) Kredit:Greg Stewart/SLAC
med kiselnanopartiklar samlade som frön i en tuff kolsvål – övervinner flera kvarvarande hinder för att använda kisel för en ny generation litiumjonbatterier, säger dess uppfinnare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory.
"Medan det återstår ett par utmaningar, denna design för oss närmare att använda kiselanoder i mindre, lättare och kraftfullare batterier för produkter som mobiltelefoner, surfplattor och elbilar, sade Yi Cui, en docent vid Stanford och SLAC som ledde forskningen, rapporterade idag i Naturens nanoteknik .
"Experiment visade att vår granatäppleinspirerade anod fungerar med 97 procent kapacitet även efter 1, 000 cykler av laddning och urladdning, vilket placerar den väl inom det önskade intervallet för kommersiell drift."
Anoden, eller negativ elektrod, är där energi lagras när ett batteri laddas. Kiselanoder kan lagra 10 gånger mer laddning än grafitanoderna i dagens uppladdningsbara litiumjonbatterier, men de har också stora nackdelar:det spröda kislet sväller och faller isär under batteriladdning, och den reagerar med batteriets elektrolyt för att bilda smuts som täcker anoden och försämrar dess prestanda.
Under de senaste åtta åren, Cuis team har tagit itu med brottproblemet genom att använda nanotrådar av kisel eller nanopartiklar som är för små för att bryta ner i ännu mindre bitar och innesluta nanopartiklarna i kol "äggula skal" som ger dem utrymme att svälla och krympa under laddning.
Vänster:Kiselnanopartiklar är inneslutna i kol "guleskal" och samlade som frön i ett granatäpple. Varje kluster har en kolsvål som håller ihop den, leder elektricitet och minimerar reaktioner med batteriets elektrolyt som kan försämra prestandan. Kredit:Nian Liu, Zhenda Lu och Yi Cui/Stanford
Den nya studien bygger vidare på det arbetet. Doktorand Nian Liu och postdoktor Zhenda Lu använde en mikroemulsionsteknik som är vanlig i oljan, färg- och kosmetikaindustrin för att samla kiselguleskal i kluster, och täckte varje kluster med en andra, tjockare lager av kol. Dessa kolskal håller ihop granatäppelklustren och ger en robust motorväg för elektriska strömmar.
Och eftersom varje granatäppelkluster bara har en tiondel av ytan av de enskilda partiklarna inuti sig, en mycket mindre yta exponeras för elektrolyten, därigenom minska mängden smuts som bildas till en hanterbar nivå.
Även om klustren är för små för att se individuellt, tillsammans bildar de ett fint svart pulver som kan användas för att belägga en bit folie och bilda en anod. Laboratorietester visade att granatäppleanoder fungerade bra när de tillverkades i den tjocklek som krävs för kommersiell batteriprestanda.
Genom att exakt kontrollera processen som används för att göra dem, Stanford och SLAC-forskare kan producera granatäpplekluster av en specifik storlek för kiselbatterianoder. Kredit:Nian Liu, Zhenda Lu och Yi Cui/Stanford
Även om dessa experiment visar att tekniken fungerar, Cui sa, teamet måste lösa ytterligare två problem för att göra det lönsamt i kommersiell skala:De måste förenkla processen och hitta en billigare källa till kiselnanopartiklar. En möjlig källa är risskal:de är olämpliga för mänsklig mat, produceras av miljontals ton och 20 procent kiseldioxid i vikt. Enligt Liu, de kunde relativt enkelt omvandlas till nanopartiklar av rena kisel, som hans team nyligen beskrev i Scientific Reports.
"För mig är det väldigt spännande att se hur stora framsteg vi har gjort under de senaste sju eller åtta åren, " Cui sa, "och hur vi har löst problemen ett efter ett."
